水平管降膜蒸發(fā)器的傳熱性能

解利昕123周文萌123陳飛123

（1天津大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程研究所，天津 300072；2化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)），天津 300072；3天津市膜科學(xué)與海水淡化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

水平管降膜蒸發(fā)器的傳熱性能

解利昕1，2，3，周文萌1，2，3，陳飛1，2，3

（1天津大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程研究所，天津 300072；2化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)），天津 300072；3天津市膜科學(xué)與海水淡化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

在換熱面積為2.375m2的水平管降膜蒸發(fā)試驗(yàn)平臺(tái)上，采用5052鋁合金管作為換熱管，以實(shí)際海水為原料，進(jìn)行了低溫多效海水淡化中水平管降膜蒸發(fā)器傳熱性能研究試驗(yàn)。研究了料液噴淋密度、管外蒸發(fā)溫度、總傳熱溫差、海水鹽度以及管內(nèi)蒸汽中不凝氣含量等因素對(duì)海水淡化過程降膜蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)的影響。結(jié)果表明，在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，總傳熱系數(shù)隨著料液噴淋密度和管外蒸發(fā)溫度的升高而增加，隨著傳熱溫差的增大而降低；冷凝側(cè)有不凝氣存在時(shí)，總傳熱系數(shù)下降幅度較大；海水濃度對(duì)傳熱系數(shù)影響較??；在控制不凝氣含量的條件下，傳熱系數(shù)在3500W/(m2·℃)以上。試驗(yàn)結(jié)果為海水淡化的工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)優(yōu)化提供了依據(jù)。

海水淡化；水平管；降膜；蒸發(fā)；傳熱

水平管降膜蒸發(fā)器設(shè)備穩(wěn)定，換熱管兩側(cè)均發(fā)生相變傳熱，有著較高的熱流密度和傳熱系數(shù)，換熱性能優(yōu)越[1]。對(duì)于光滑換熱管而言，水平管蒸發(fā)設(shè)備的傳熱系數(shù)能夠達(dá)到豎直管蒸發(fā)裝置的兩倍[2]；并且水平管降膜蒸發(fā)器易組成多效蒸發(fā)裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省設(shè)備耗材和液體循環(huán)所需能量[3]，是一種高效節(jié)能換熱設(shè)備。目前，水平管降膜蒸發(fā)器被廣泛地應(yīng)用于化工、制藥、食品、制冷尤其是海水淡化等方面。

水平管降膜蒸發(fā)是目前低溫多效蒸發(fā)海水淡化（LT-MED）普遍采用的傳熱方式，一般操作溫度不高于70℃[4]，能夠有效防止蒸發(fā)過程中換熱管表面結(jié)垢，同時(shí)也可以有效利用低品位余熱，是目前真正投入到商業(yè)化運(yùn)行的主要大型海水淡化方法之一[5]。

國內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)影響水平管降膜蒸發(fā)器傳熱性能的影響因素進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究工作[6-13]，但部分?jǐn)?shù)據(jù)與實(shí)際工程情況相差較大，并且多數(shù)試驗(yàn)研究采用傳統(tǒng)的不銹鋼、黃銅、鈦等材質(zhì)作為換熱管材。本文以鋁合金管材為換熱管，通過搭建水平管降膜蒸發(fā)器形成完整的海水淡化系統(tǒng)，模擬低溫多效海水淡化中的各效蒸發(fā)器實(shí)際操作條件，進(jìn)行了降膜蒸發(fā)換熱試驗(yàn)研究及理論分析，以期為海水淡化的工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)優(yōu)化提供試驗(yàn)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)流程

水平管降膜蒸發(fā)系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的水蒸氣進(jìn)入降膜蒸發(fā)器的水平換熱管內(nèi)部冷凝放熱，冷凝液進(jìn)入計(jì)量水罐收集計(jì)量。進(jìn)料泵將原料海水送至蒸發(fā)器的液體分布器，向傳熱管表面均勻噴淋海水，海水吸收換熱管內(nèi)蒸汽冷凝放出的熱量部分汽化，生成的二次蒸汽經(jīng)冷凝器冷凝后由計(jì)量水罐收集計(jì)量，未蒸發(fā)海水從蒸發(fā)室底部回流至原料水罐循環(huán)利用。換熱管外部蒸發(fā)側(cè)和內(nèi)部冷凝側(cè)的真空度通過控制水環(huán)真空泵管路閥門實(shí)現(xiàn)。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程簡(jiǎn)圖

1.2 試驗(yàn)裝置

降膜蒸發(fā)器的蒸發(fā)室采用316L不銹鋼材質(zhì)加工，外形尺寸為1640mm×786mm×809mm。換熱管采用5052鋁合金光滑管，規(guī)格為φ24mm× 1.5mm，有效長(zhǎng)度L=800mm，換熱管數(shù)量為42根，排布方式為6列7排矩形方式排布，管束上方布置有液體噴淋裝置。

利用熱電偶溫度計(jì)測(cè)量系統(tǒng)溫度；利用壓力變送器測(cè)量蒸發(fā)器管程、殼程真空度；原料液流量和不凝氣的流量分別采用液體流量計(jì)和氣體流量計(jì)計(jì)量；各計(jì)量水罐中蒸汽冷凝水的流量利用精度為0.5g的電子天平及秒表同時(shí)計(jì)量。

1.3 試驗(yàn)方法

采用黃驊港附近海水為原料考察不同操作參數(shù)對(duì)總傳熱系數(shù)的影響。海水在進(jìn)入降膜蒸發(fā)系統(tǒng)前進(jìn)行預(yù)澄、過濾、預(yù)熱處理。為防止實(shí)驗(yàn)過程中換熱管壁結(jié)垢影響傳熱，在海水中加入3mg/L的阻垢劑。

低溫多效蒸發(fā)海水淡化實(shí)際工程中，首效最高蒸發(fā)溫度不超過70℃，各效傳熱溫差一般在2～4℃，蒸發(fā)后各效的海水的濃縮倍數(shù)在1.3～1.8之間變化[14]。本文試驗(yàn)選擇的操作條件范圍為：蒸發(fā)溫度為45～70℃；總傳熱溫差為1.5～4.0℃；海水鹽度為25～55g/L。

實(shí)驗(yàn)過程中，通過調(diào)節(jié)海水進(jìn)料調(diào)節(jié)閥和氮?dú)庹{(diào)節(jié)閥分別控制海水的噴淋量及不凝氣含量；控制真空抽氣閥調(diào)節(jié)蒸發(fā)側(cè)及冷凝側(cè)壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸發(fā)溫度及傳熱溫差的控制；海水鹽度的變化采用控制蒸發(fā)量的大小實(shí)現(xiàn)。在其他操作條件固定的情況下，變化單一參數(shù)，每個(gè)工況條件進(jìn)行3次平行試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，取其平均值為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過測(cè)量冷凝液流量的變化情況，分析傳熱系數(shù)變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理

水平管降膜蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)由式（1）～式（3）關(guān)聯(lián)式計(jì)算。

式中，Q為熱通量，W；γ為加熱蒸汽飽和溫度下的水的汽化潛熱，kJ/kg；m為蒸汽凝結(jié)水量，kg；τ為每次計(jì)量凝結(jié)水所用時(shí)間，s；Δt為有效傳熱溫差，℃；T為傳熱管內(nèi)飽和蒸汽溫度，℃；t為蒸發(fā)室飽和蒸汽溫度，℃；S為傳熱面積，m2；Δ為海水沸點(diǎn)升高[2]，℃；K為總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 噴淋密度對(duì)傳熱系數(shù)的影響

在傳熱總溫差為2.4℃、蒸發(fā)溫度為50℃的條件下，降膜蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)隨噴淋密度的變化情況如圖2所示，隨著噴淋密度的增大，總傳熱系數(shù)增大。在實(shí)驗(yàn)噴淋密度0.043～0.200kg/(m·s) 范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)雷諾數(shù)在200～1500區(qū)間，液體流動(dòng)處于層流狀態(tài)。噴淋密度增大時(shí)，雷諾數(shù)提高，可以有效提高海水的湍動(dòng)程度，管外蒸發(fā)傳熱增強(qiáng)，總傳熱系數(shù)增大。

3.2 蒸發(fā)溫度對(duì)傳熱系數(shù)的影響

海水噴淋密度為0.114kg/(m·s)、總傳熱溫差為2.4℃時(shí)，總傳熱系數(shù)隨蒸發(fā)側(cè)溫度的變化趨勢(shì)如圖3所示，隨著海水蒸發(fā)溫度的升高總傳熱系數(shù)明顯提高。管外蒸發(fā)溫度升高，使得換熱管外海水表面張力減小，黏度降低，雷諾數(shù)Re增大，換熱管外料液的湍動(dòng)程度增強(qiáng)，層流內(nèi)層厚度減薄，強(qiáng)化了對(duì)流傳熱，使得管外蒸發(fā)傳熱系數(shù)增強(qiáng)。傳熱溫差一定，意味著管內(nèi)蒸汽冷凝溫度的升高。凝結(jié)溫度的升高使得管內(nèi)冷凝液體的黏度及表面張力減小，對(duì)流傳熱增強(qiáng)，管內(nèi)冷凝傳熱系數(shù)增大。管內(nèi)冷凝傳熱系數(shù)和管外蒸發(fā)傳熱系數(shù)的共同增大使得總傳熱系數(shù)隨著管外蒸發(fā)溫度的升高而明顯提高。

圖2 噴淋密度對(duì)傳熱系數(shù)的影響

圖3 蒸發(fā)溫度對(duì)傳熱系數(shù)的影響

3.3 傳熱溫差對(duì)傳熱系數(shù)的影響

在海水噴淋密度為0.114kg/(m·s)、管外蒸發(fā)溫度為50℃的條件下，總傳熱系數(shù)隨傳熱溫差的變化趨勢(shì)如圖4所示，隨著傳熱溫差的增大，總傳熱系數(shù)下降。當(dāng)管外蒸發(fā)溫度固定時(shí)，傳熱溫差增大意味著管內(nèi)蒸汽冷凝溫度的升高，冷凝液的溫度升高，黏度降低，表面張力減小，湍動(dòng)程度增強(qiáng)，傳熱得到強(qiáng)化。與此同時(shí)，隨著傳熱溫差的增大，熱流密度增大，蒸汽冷凝速率增加。管內(nèi)蒸汽冷凝液量增大，冷凝液膜的厚度增加，從而增加了冷凝傳熱的熱阻。此外，蒸汽冷凝速率增大，冷凝液在換熱管底部積聚增多，減小了傳熱管的有效傳熱面積[5]。兩者綜合作用表現(xiàn)為總傳熱系數(shù)隨著傳熱溫差的增加而降低。

3.4 海水鹽度對(duì)傳熱系數(shù)的影響

圖4 傳熱溫差對(duì)傳熱系數(shù)的影響

當(dāng)噴淋密度為0.114kg/(m·s)、傳熱溫差為2.4℃時(shí)，總傳熱系數(shù)隨海水鹽度變化如圖5所示。隨著海水濃度的變化，總傳熱系數(shù)沒有明顯變化。當(dāng)海水鹽度增大時(shí)，同一溫度下的海水黏度略有增大，導(dǎo)致?lián)Q熱管外液膜湍動(dòng)程度降低，傳熱熱阻增大，傳熱系數(shù)減小。但隨著鹽度增大，海水沸點(diǎn)升高值增大，有效傳熱溫差減小，根據(jù)以上第3.3節(jié)的分析，總傳熱系數(shù)又略微增大。兩方面綜合結(jié)果表現(xiàn)為，海水鹽度在25～55g/L范圍內(nèi)，傳熱系數(shù)變化較小。

3.5 不凝氣含量對(duì)傳熱系數(shù)的影響

在噴淋密度為0.114kg/(m·s)、傳熱溫差為2.4℃、蒸發(fā)溫度為50℃的條件下，改變不凝氣含量，總傳熱系數(shù)變化情況如圖6所示。當(dāng)換熱管內(nèi)蒸汽中混合不凝氣時(shí)，給換熱過程帶來不利影響，傳熱系數(shù)下降較多，并且隨著不凝氣含量的增加傳熱系數(shù)下降幅度較大。在管內(nèi)蒸汽冷凝放熱過程中，蒸汽凝結(jié)形成液膜將換熱管內(nèi)壁面覆蓋，管內(nèi)蒸汽的冷凝在這層冷凝液膜表面進(jìn)行。當(dāng)蒸汽中有不凝氣存在時(shí)，可凝性蒸汽在冷凝液膜上不斷凝結(jié)，而不凝性氣體則滯留在氣液界面上，可凝性蒸汽到達(dá)冷凝液膜表面進(jìn)行冷凝放熱之前，必須擴(kuò)散穿過不凝性氣體層[6]，這相當(dāng)于增加了一層額外熱阻。不凝氣含量越高，熱阻越大，使得換熱管內(nèi)蒸汽冷凝傳熱系數(shù)降低，總傳熱系數(shù)隨之大幅度降低。

圖5 海水鹽度對(duì)傳熱系數(shù)的影響

圖6 不凝氣含量對(duì)傳熱系數(shù)的影響

4 結(jié) 論

模擬海水淡化實(shí)際工況進(jìn)行了水平管降膜蒸發(fā)試驗(yàn)，結(jié)果顯示水平管降膜蒸發(fā)器具有較高的傳熱系數(shù)。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，水平管降膜蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)隨著噴淋密度和管外蒸發(fā)溫度的增加而增大；隨著傳熱溫差的增加而減小。海水鹽度對(duì)降膜蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)影響較??；換熱管內(nèi)有不凝氣體存在時(shí)，水平管降膜蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)下降程度較大。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)水平管降膜蒸發(fā)海水淡化實(shí)際工程具有指導(dǎo)意義。

符 號(hào) 說 明

K——總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)

m——蒸汽凝結(jié)水量，kg

Q——熱通量，W

S——傳熱面積，m2

T——傳熱管內(nèi)飽和蒸汽溫度，℃

t——蒸發(fā)室飽和蒸汽溫度，℃

Δt——有效傳熱溫差，℃

γ——加熱蒸汽飽和溫度下的水的汽化潛熱，kJ/kg

τ——每次計(jì)量凝結(jié)水所用時(shí)間，s

Δ——海水沸點(diǎn)升高，℃

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Study on heat-transfer performance of horizontal tube falling film evaporator

XIE Lixin1，2，3，ZHOU Wenmeng1，2，3，CHEN Fei1，2，3
（1Chemical Engineering Research Center，School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2State Key Laboratory of Chemical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；3Tianjin Key Laboratory of Membrane Science and Desalination Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

:Based on the horizontal tube falling film evaporation platform with heat-transfer area of 2.375m2，this paper studied the heat-transfer performance of the evaporator in low temperature multi-effect distillation （LT-MED），with 5052 aluminum alloy tubes as heat-transfer tubes and actual seawater as raw material. The effects of sprinkling density，evaporation boiling point，evaporation temperature difference，salinity and non-condensable gas concentration on the total heat-transfer coefficients of desalination process were investigated. The results showed that the following:within the testing scope，the total heat-transfer coefficient increased with the increase of sprinkling density and evaporation boiling point；the total heat-transfer coefficient decreased with the increase of evaporation temperature difference；the total heat-transfer coefficient decreased sharply when there was non-condensable gas mixed in the steam inside the heat-transfer tube；salinity had little effectd on the heat-transfer coefficient；the heat-transfer coefficients were more than 3500 W/(m2·℃) when controlling the concentration of non-condensable gas，These results provided an experimental basis for the engineering design and production optimization of desalination.

seawater desalination；horizontal tube；falling film；evaporation；heat transfer

P 747

A

1000-6613（2014）11-2878-05

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.11.009

2014-04-08；修改稿日期：2014-05-15。

天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目（11ZCGYSF05300）。

及聯(lián)系人：解利昕（1964—），男，研究員，從事海水淡化及水處理方面的研究。E-mail xie_lixin@tju.edu.cn。